嵌入式系统课程教学研究

摘要：结合河南工业大学面向电气信息类专业开设嵌入式系统课程的教学实践，从课程体系组织与实验室建设、教学方法和手段的改革、建立开放实验环境、灵活多样的考核方式等方面，介绍嵌入式系统精品课程建设的思路。实践表明，嵌入式系统课程提高了学生的实践能力和创新能力，是培养嵌入式开发人才的有效途径。

关键词：嵌入式系统；教学改革；实践教学体系；开放实验室

嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[1]。嵌入式技术融合了先进的计算机软硬件技术、集成电路技术、通讯技术和半导体微电子技术，是一门涉及多领域知识点相互交叉的综合性新兴学科。近年来，嵌入式软硬件技术的双螺旋交替快速发展趋势掀起了嵌入式系统的应用热潮，使嵌入式产品获得了巨大的发展契机。嵌入式技术已经广泛应用于通讯产品、工业控制、信息家电、军事应用、机器人等领域。风靡全球的iPhone 4手机即是一款典型的使用ARM Cortex-A9嵌入式处理器的消费电子产品。

我国的嵌入式应用市场具有广阔的发展前景，需要大量的嵌入式开发人才。如何培养具有扎实基础知识的高质量嵌入式开发人才已经成为各高校相关专业面临的重要课题。2002年，教育部发起首届英特尔杯大学生电子设计竞赛嵌入式系统专题邀请赛，业内著名厂商，如微软、飞思卡尔、意法半导体等公司也于近年设立了全国大学生嵌入式设计大赛[2]。以此为契机和导向，围绕河南工业大学培养“具有创新精神和实践能力的高素质应用型人才”的目标定位，笔者所在的实验室从2007年开始面向全校自动化、电气工程及自动化等电气信息类相关专业开设了“嵌入式系统”专业任选课程。

本文以近几年来我校建设嵌入式系统多媒体(网络)课程为目标的教学改革与实践为基础，介绍在嵌入式系统课程体系组织、课程体系建设与实验内容设置、创新教学方法与手段、建立开放实验环境以及采用多种灵活有效的考核方式与评价办法等方面的研究探索与实践体会，以此促进嵌入式系统教学改革，适应社会对嵌入式人才不断增长的需求。

1嵌入式系统课程体系组织与实验室建设

对课程体系进行精心、科学的组织和建设是保证课程教学质量的关键。嵌入式系统课程主要介绍嵌入式系统的设计原理及方法，具体包括嵌入式系统的组成与基本概念、嵌入式系统的硬件基础、嵌入式操作系统的裁剪及移植、嵌入式开发环境的创建、嵌入式底层软件的开发与调试等内容。通过该课程的学习可使学生了解嵌入式系统的发展与应用、熟悉嵌入式操作系统的原理，掌握嵌入式系统的软硬件设计的基本方法，实践嵌入式系统项目开发基本流程，培养学生理论联系实际、解决嵌入式系统具体应用问题的实践动手能力。

“嵌入式系统”课程的授课对象主要是我校自动化、电气工程及自动化等电气信息类相关专业本科生。电气信息类学生开课时已经基本掌握了本专业的数字电路设计、计算机组成原理、软件技术基础、单片机原理及应用、微控制器原理等基础课和专业课，具备了嵌入式开发的相关基础知识，而嵌入式系统课程是本科生前三年专业基础知识的综合与延伸。根据学习侧重点的不同，可以把该课程分为嵌入式体系结构、嵌入式操作系统和嵌入式系统应用三个方向，其体系结构如图1所示。在具体授课时需要注意针对不同授课对象因材施教，各方向有所侧重。

在嵌入式实验平台的选择上，应着重考虑嵌入式CPU的体系结构、实验平台的可扩展性、对多操作系统的支持、是否可满足软硬件实验的需要、实验文档资料是否齐全等几个方面。实验室建设初期有多家嵌入式实验设备厂商可供选择，如合肥华恒、北京博创、深圳英蓓特、周立功、优龙等。在对各实验平台的性能进行综合比较与考察之后，我们实验室选择了UP-NETARM2410-S实验平台。该平台使用基于ARM 920T内核的SAMSUNG S3C2410处理器，带有LCD、触摸屏、USB接口、网络接口、CAN总线接口、A/D转换接口等资源，并且可以外接FPGA、GPS/GPRS、蓝牙、摄像头等模块，可支持Linux、μCOS-II、WindowsCE多种操作系统，提供了丰富的软硬件资源并且留有可复用资源的扩展插槽，方便以后的二次开发与扩展。

2充分利用网络教学，实现教与学的互动

课堂教学是学生获得嵌入式系统基础理论知识的主要途径。随着高校招生规模的扩大，选课班级和人数急剧增加。受嵌入式系统教学大纲规定的学时、实验室的开放时间以及设备资源的限制，嵌入式课内教学和实验任务比较紧张。笔者所在的教学团队以申报校级多媒体(网络)课程建设项目为契机，充分利用高校的网络平台，为学生提供基于Web的课程教学大纲、教案、网络课件、实验指导书、习题等资源。学生在课外可以利用网络与指导老师实时交流，及时解决学习过程中遇到的各种疑问，有效解决了课堂学时不足的难题，扩大了学生的学习空间。

实验教学环节是嵌入式系统教学的重要组成部分，有助于学生加深对理论知识的理解，锻炼实践动手能力和实验技能[3]。嵌入式系统课程的实验内容以软件项目为主，每次实验前有大量的软件资料、代码需要与学生共享。此外，嵌入式系统软件类实验步骤多、难度大、耗时长，传统实验教学过程中教师承担着大量与学生面对面的指导工作，实验具体操作时学生还是可能出现各种问题甚至是低级错误，实验教学效果不佳。

针对上述问题，经过多次教学试验后，我们利用实验室现有的电脑、局域网设备和“电子教室”多媒体教学软件平台，实现教师机对学生机的操作演示、文件传输、资源共享、视频广播、屏幕监控、语音教学等操作。例如在做“熟悉Linux开发环境”验证性实验的时候，指导教师在教师机上进行上位机编程、编写Makefile文件、交叉编译、下载调试等演示操作，通过数字化网络使用“电子教室”软件的“屏幕广播”功能，即可实现教师实验全程的可视化，学生坐在多台学生机前即可了解教师实验过程的每一个细节。当教师演示完毕后将实验所需软件资料通过“文件分发”功能从教师机传送到多台学生机，学生马上可以使用学生机配合UP-NETARM2410-S实验平台进行实验验证。学生在实验过程中若遇到问题可随时通过局域网的“电子教室”软件“电子举手”，方便教师及时解答。近年来的实验教学实践证明，与传统实验教学方法相比，利用“电子教室”多媒体教学网络平台辅助实验教学的方式改善了以往因学生人数多、教师无法演示实验操作细节导致实验效果不佳的缺点，增强了师生互动，有效提高了嵌入式系统的实验效率。

3改革实践环节，建立开放式实验环境

为学生提供良好的实践学习条件是嵌入式系统课程教学改革的重要组成部分[4]。受制于教学大纲的课时限制，嵌入式系统课内实验学时仅能满足该课程教学目标的基本要求，无法满足学生进行综合性、设计性、创新性实验的需要。要激发学生的主观能动性、满足学有余力的同学的个性化实验需求，培养学生的创新精神和实践动手能力，实验室不能仅仅局限于满足课内实验的水平上，必须以学生为本，建立开放式实验环境。开放实验是对教学计划内实验的延续和提高。在保证完成嵌入式系统课程正常实验教学任务的前提下，嵌入式实验室本着“面向全体、因材施教、形式多样、讲究实效”的原则，面向全体选课学生实施开放。

为保证取得较好的开放实验效果，积极稳妥地推进实验室开放，在总结历次开放实验教学实践经验的基础上，嵌入式系统实验室已经形成了完善的开放实验室管理制度。实验前认真遴选实验项目，做好实验方案的准备工作；在开放实验过程中强调学生的主体地位，发挥学生的主动性和创造性，培养他们扎实的实验技能与严谨的治学态度。同时注意加强开放实验质量监控，对研究过程中出现的疑难问题给予及时适量的指导。

开放实验项目的选择主要包括三种类型的题目：一类是自选综合性、设计性嵌入式开放实验。学生在实验前预先设计实验方案，经指导教师审查方案的可行性和经济性之后完成具体实验方案的构建。学生在开放实验过程中必须独立完成实验装置的制作与调试，最终完成实验并撰写实验报告。第二类是科技活动型开放实验。学生根据嵌入式科技竞赛课题，结合实验室的方向和条件，联系指导教师开展科技竞赛等开放实验活动，如2008年组织学生经过开放实验锻炼后入围第三届“ZLG杯”中国大学生ARM嵌入式系统电子设计竞赛。第三类是学生参与教师科研型开放实验，主要面向高年级本科生。指导教师将承担的项目，如校级科研基金“嵌入式粮情监测系统手持终端的研究”作为开放实验题目，吸收部分优秀本科学生提前进入实验室参与科研活动。在开放实验的整个过程中，教师仅起到辅助指导、答疑的作用，可以有效锻炼学生的实验技能、培养创造性的科学思维方法和严谨的学习态度。同时，嵌入式开放实验选题的不确定性也要求指导教师有宽广的知识面和扎实的嵌入式系统相关技术技能，这有利于教师与学生的教学相长，共同提高。

4改革考核方式，以毕业设计延伸课堂教学

作为课堂教学的最后环节，课程考核可直接检验教和学的效果，是整个教学活动的重要组成部分。目前采用的闭卷考试方式，虽有其合理性，但对于工程性、实践性很强的嵌入式系统课程来说，它容易造成学生高分低能的后果。因此，我们有必要根据课程的具体特点采用灵活有效的考核方法。笔者对嵌入式系统课程采取了平时成绩、实验成绩和期末项目实例三者结合的考核方式。平时成绩和实验成绩各占总成绩的30%，重点放在学期末以小组为单位的项目实践考核上，以此突出培养学生实践动手能力和创新能力的重要性。

此外，嵌入式系统课程通常面向大三下学期和大四上学期的高年级本科生开设。这些学生已经具备了嵌入式开发的基础知识，对嵌入式系统课程表现出了极大的热情。在授课过程中，教师有侧重地选拔对嵌入式开发感兴趣、成绩优秀的学生，为他们提供嵌入式方向的毕业设计选题。近年来嵌入式系统实验室先后为本科生提供了“基于S3C2410处理器的手持终端触摸屏的实现”、“基于Linux的智能家居系统设计”、“嵌入式远程视频监控系统研究”等毕业设计题目。毕业设计环节延伸了嵌入式系统的课程教学，完善了课程体系的建设。通过毕业设计的反馈也发现了学生在嵌入式技术上存在的不足之处，达到了辅助教学的目的。

5结语

课程建设与改革是确保人才培养质量的重要环节。从近几年嵌入式系统课程的教学改革与实践效果来看，选课人数持续增加，学生学习兴趣浓厚，课堂反响强烈。经过嵌入式系统“课堂教学―开放实验室―嵌入式系统大赛―毕业设计”等一系列环节的锻炼，已有多名毕业生走上了嵌入式系统软硬件开发工程师的工作岗位。随着嵌入式技术的飞速发展，本着培养应用型人才的教学目标，嵌入式系统课程将继续更新整合教学内容，改进教学方法和手段，以期培养更多高质量嵌入式开发人才。

参考文献：

[1] 俞辉. 嵌入式Linux程序设计案例与实验教程[M]. 北京:机械工业出版社,2009.

[2] 孙建梅,滕英岩. 独立学院嵌入式系统开发课程的教学研究与实践[J]. 计算机教育,2008(16):134-135.

[3] 罗钧,廖红华,付丽等. 嵌入式实验教改与创新性人才培养的关系[J]. 实验室研究与探索,2008,25(8):958-959.

[4] 赖晓晨,刘文杰. 高校嵌入式实验室建设探索[J]. 实验室研究与探索,2007,26(6):52-54.

Research and Practice on the Course of Embedded System

ZHANG Xiaodong, LU Ke, LI Xiujuan

(College of Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

Abstract: According to the teaching practice of the embedded system course which is set for electrical and information major by Henan University of Technology, the paper discusses the thought about the excellent curriculum construction of embedded system thoroughly from several aspects, including the framework of teaching materials, the reformation of teaching methods, open laboratory construction, using a variety of evaluation methods and so on. Students can improve their practical ability and innovative ability though embedded system course. The practice shows that it is an effective way to cultivate embedded developers.

Key words: embedded system; teaching reform; practical teaching system; opening laboratory